氮磷添加對水曲柳化學計量特征和養分再吸收的影響

　　摘 要：為了解水曲柳林分化學計量特征和養分再吸收率與N、P元素供應的關系，以15年生水曲柳(Fraxinus mandshurica)人工林為研究對象，測定氮(N)、磷(P)添加后水曲柳林分土壤、成熟葉片和衰老葉片養分濃度的變化。結果表明：N、P添加后水曲柳成熟葉N、P濃度和土壤C、N濃度均逐漸增加，而衰老葉P濃度逐漸降低;水曲柳成熟葉C∶N、C∶P和土壤C∶P均隨N、P添加而降低，而成熟葉和土壤N∶P僅隨P添加而降低，但是衰老葉C∶P、N∶P均隨P添加量增加而顯著提高;N、P添加后水曲柳葉片N、P再吸收率均提高，其中P再吸收率變化最大，高氮和高磷處理下P再吸收率分別比CK提高2.3倍和2.7倍，且葉片P再吸收率與成熟葉C∶P呈顯著負相關，但是與衰老葉C∶P、N∶P呈極顯著正相關。N、P添加后水曲柳成熟葉N∶P的變化和N、P再吸收率的提高表明：P是限制本研究中水曲柳林木生長的重要因素，N、P添加可以提高水曲柳N、P的利用效率，并改善水曲柳林分的養分狀況。

　　關鍵詞：水曲柳;氮磷添加;化學計量比;養分再吸收率

　　《農業災害研究》是在較高層面上反映中國農業災害研究與技術成果的學術性刊物，由江西省農業科學院主辦，安徽吳楚科技文化傳播公司提供技術支撐。

　　0 引言

　　氮(N)和磷(P)是樹木生長的必需元素，限制了世界上大部分森林的生產力[1]。通過N、P添加提高土壤的養分含量，改善樹木的養分供應情況，已成為各國提高人工林生產力的重要手段[2]。N、P添加后土壤中養分含量的增加將改變樹木體內N、P的濃度和計量比[3-4]，生態化學計量學研究表明植物葉片N∶P在一定程度上可以指示植物體內N和P的需求情況，以及生態系統的養分限制情況[5-8]，而葉片C∶N和C∶P也可以反映植物生長速率對養分供應的響應[9-10]，進而為作物和樹木施肥提供依據[11-12]。衰老葉片的養分再吸收是植物提高N、P等養分利用效率的重要手段[13-14]，N、P添加后樹木的養分再吸收率也將受到影響[15]，研究發現施肥后興安落葉松(Larix gmelinii)葉片養分再吸收率降低[15]，而日本落葉松(Larix kaempferi)葉片N素再吸收率提高[16]，同時，一些研究發現葉片養分再吸收率不受土壤養分有效性影響[17-18]。目前，關于N、P添加后植物養分化學計量比和養分再吸收率的研究多集中在作物和苗木上[19]，但是，對N、P添加后林木響應的研究仍然較少[20]。

　　水曲柳(Fraxinus mandshurica)是我國東北地區珍貴闊葉用材樹種，近年來在水曲柳的優良種源選育、密度調控技術和混交林營造技術等方面已進行了多項研究[21-23]，但是關于水曲柳養分供應與生理響應的研究主要集中在苗木上，對于施肥后水曲柳林木的養分需求情況研究仍較少。為此，本研究以15年生水曲柳人工林為研究對象，通過分析不同N、P添加處理對水曲柳林木養分濃度、養分比例及養分再吸收率的影響，借助生態化學計量特征這一研究手段，了解水曲柳在生長過程中的主要養分限制因子，及N、P添加后對水曲柳養分利用效率的影響，為確定水曲柳人工林合理的施肥技術提供理論依據。

　　1 研究區概況與研究方法

　　1.1 研究地區自然概況

　　試驗地位于黑龍江省尚志市小九林場，地理坐標為東經127°41′，北緯45°14′，屬長白山脈張廣才嶺西坡，海拔高度420 m，地貌類型為低山丘陵，坡度6°～15°。該區氣候屬寒溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫2.3 ℃，年降雨量740 mm，年日照時數2 561 h，無霜期約為120 d。該地區地帶性土壤為暗棕壤，一般分布在300 m以上的低山丘陵地帶，非地帶性土壤有白漿土、草甸土和沼澤土，一般分布在300 m以下的丘陵地帶，黑土層厚度18～20 cm。

　　1.2 研究方法

　　1.2.1 樣地設置和施肥處理

　　在15年生水曲柳人工林內選擇立地條件相似的地塊作為試驗樣地，該林分造林密度為2 m×1.5 m，未進行間伐，林分平均胸徑9.59 cm。共設置15 m×15 m的樣方15個。利用尿素(含N≥46%)設置兩個N肥處理，N1、N2添加量分別為5.0 g/m2、12.5 g/m2;利用過磷酸鈣(P2O5≥16%)設置兩個P肥處理，P1、P2添加量分別為7.5 g/m2、15.0 g/m2，同時設置不施肥對照CK，共設置5個施肥處理(CK、N1、N2、P1、P2)，每個處理3次重復，各處理樣方按隨機區組設計分布。于2017年6、7月上旬分別進行施肥試驗，共施肥兩次，施肥方式為均勻撒施。

　　1.2.2 樣品采集與分析

　　成熟葉與衰老葉取樣：在每個樣方選取3株生長良好的平均木作為標準木。2017年8月23日采集標準木樹冠中部陽向枝條，選取完整、無病蟲害的成熟葉片混合后作為成熟葉樣品。衰老葉以凋落前的黃化葉片作為樣品[24]，于9月16日用采集成熟葉的相同方法，采集標準木上黃化的衰老葉片，混合后作為衰老葉樣品。樣品取回后迅速置于烘箱，105 ℃殺青15 min后，65 ℃烘至恒重，最后粉碎過0.149 mm篩備用。

　　土壤樣品取樣：采集成熟葉的同時，在樣方內去除地表枯枝落葉層，用直徑為5 cm土鉆在樣地內沿對角線用S型取樣法采集0～10 cm土壤樣品15個，將土樣混合均勻后裝于自封袋內低溫冷藏帶回室內，風干后磨碎過0.149 mm篩用于測定土壤養分含量。

　　所有土壤和植物樣品的全C、全N用元素分析儀(Elementar Vario MACRO，Germany)進行測量。植物全P用硫酸-過氧化氫消化-鉬銻抗比色法測量，土壤樣品全P采用硫酸-高氯酸消化-鉬銻抗比色法測量[25]。

　　1.2.3 養分再吸收計算

　　本研究中采用成熟葉和衰老葉的C、N、P養分的質量含量之差計算水曲柳葉片的養分再吸收率(RE)[26]，計算公式：

　　RE(%)=w1-w2w1×100。 (1)

　　式中：RE為養分再吸收率;w1為成熟葉片養分的質量含量，mg/g;w2為衰老葉片養分的質量含量，mg/g。

　　1.2.4 數據處理

　　采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2003進行數據的處理分析和制圖。運用單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較(LSD)進行顯著性檢驗。利用Pearson相關分析水曲柳葉片養分再吸收率與成熟葉、衰老葉養分含量和化學計量比之間的相關關系。

　　2 結果與分析

　　2.1 氮磷添加對水曲柳成熟葉、衰老葉和土壤C、N、P含量的影響

　　隨著N添加量的增大，水曲柳成熟葉N、P濃度和土壤C、N濃度均提高，但僅成熟葉N濃度的差異達到顯著水平(P<0.05)，而成熟葉C濃度和土壤P濃度最高值均出現在N1處理;衰老葉C、N濃度均先降低后升高，最高值出現在N2處理，而衰老葉P濃度隨N添加量增大而顯著降低(P<0.05)(表1)。

　　隨P添加量的增大，成熟葉N、P濃度和土壤C、N濃度均提高，但是僅成熟葉P濃度的差異達到顯著水平(P<0.05);隨P添加量增大，成熟葉C濃度和土壤P濃度均先降低后升高，差異均較小;P添加后衰老葉P濃度逐漸降低，而C、N濃度均先降低后升高，最高值出現在P2處理(P>0.05)(表1)。

　　2.2 氮磷添加對水曲柳成熟葉、衰老葉和土壤C∶N∶P化學計量比特征的影響

　　隨N添加量的增大，成熟葉C∶N、C∶P均逐漸降低，但僅C∶N達到顯著差異(P<0.05)，而各處理成熟葉N∶P無明顯差異，最大值出現在N1處理;衰老葉C∶N在不同氮處理下差異顯著(P<0.05)，其中N1處理顯著高于N2處理，C∶P、N∶P均表現為N2處理顯著高于CK和N1處理;土壤C∶N、C∶P和N∶P在不同氮處理均無顯著差異(P>0.05)，其中C∶P隨氮添加而降低，而N∶P則相反(表2)。

　　隨P添加量的增大，成熟葉C∶N、C∶P、N∶P均降低，且C∶N、C∶P均差異顯著(P<0.05);衰老葉C∶N在不同磷處理間無顯著差異(P>0.05)，但是C∶P、N∶P均隨磷添加量增加而顯著提高;土壤C∶N、C∶P、N∶P在不同磷處理下均無明顯差異(P>0.05)，磷添加后土壤C∶N增加，而土壤C∶P、N∶P均隨磷添加而降低(表2)。

　　2.3 氮磷添加對水曲柳葉片N、P養分再吸收效率的影響

　　氮添加提高了水曲柳葉片N再吸收率，N1和N2處理水曲柳葉片N再吸收率均顯著高于CK處理(P<0.05)，但是N1處理葉片N再吸收率最高;隨氮添加量的增大，水曲柳葉片P再吸收率明顯提高，N2處理下葉片P吸收率比CK處理高2.3倍(P<0.01)(表3)。

　　與氮添加后水曲柳葉片N再吸收率變化相似，磷添加后葉片N再吸收率均明顯增加(P<0.05)，且P1處理最高;而磷添加后葉片P再吸收率逐漸提高，且P1和P2處理均顯著高于CK(P<0.01)，其中P2處理比CK高2.7倍(表3)。

　　2.4 水曲柳成熟葉和衰老葉C、N、P化學計量比與葉片再吸收率的相關性

　　相關分析表明水曲柳葉片N再吸收率與成熟葉、衰老葉的養分濃度及化學計量比之間的相關性均不顯著(P>0.05)。葉片P再吸收率與成熟葉片P濃度呈顯著正相關(P<0.05)，但與衰老葉P濃度呈極顯著負相關(P<0.01);葉片P再吸收率與成熟葉C∶P呈顯著負相關(P<0.05)，與衰老葉C∶P、N∶P呈極顯著正相關(P<0.01)(表4)。

　　3 結論與討論

　　本研究中，水曲柳對照樣地土壤全C、全N和全P含量分別為55.60、5.55和0.89 g/kg，與王淑平等[27]對東北東部森林土壤的研究相比，全N和全P均高于該地區的平均水平，但是略低于郝玉琢和王樹力[23]對帽兒山水曲柳人工林的研究結果;另外，土壤N∶P可以為土壤養分限制類型提供有效預測，隨N和P添加量的增加，水曲柳林地土壤N∶P分別表現增大和降低的趨勢，表明N和P添加改善了土壤的養分供應情況，但是本研究中土壤的N∶P均高于郝玉琢和王樹力的研究結果，說明磷添加后本研究中林地土壤磷的供應能力仍較低。葉片N∶P是植物養分限制的重要指示，本研究中水曲柳對照(CK)和N添加處理樣地中水曲柳成熟葉N∶P為20.07～23.32(表2)，根據生態化學計量學研究中植物組織的N∶P大于16時，生長主要受P限制[5]的研究結果，說明P是限制本研究中水曲柳林木生長的重要因素，而P添加后水曲柳成熟葉的N∶P均降低，且隨P添加量的增加而降低(表2)，表明較高的P添加能夠明顯改善水曲柳林木的養分需求情況，P2處理時成熟葉N∶P<16，說明較高P添加開始對該地區的P限制起到緩解作用。與土壤N∶P的變化相比，水曲柳葉片N∶P的變化幅度明顯較大(表1)，這可能與水曲柳林木對P的需求較大，吸收效率較高有關。本研究中水曲柳成熟葉的C∶N和C∶P都表現出隨N、P添加量的增加而逐漸降低的趨勢，根據生長速率假說[9-10]中葉片C∶N和C∶P一般與生長速率負相關的結論，表明N、P添加均提高了水曲柳的生長速率。

　　養分再吸收是植物提高環境適應能力的重要策略，本研究中N、P添加處理下的水曲柳葉片再吸收率均高于對照，表明N、P添加提高了水曲柳葉片養分的再吸收利用效率，使其能夠回收更多的養分繼續用于生長，這與對日本落葉松[17]和麥冬(Ophiopogon japonicus)[28]的研究一致，但與施肥后興安落葉松葉片養分再吸收效率降低的結果相反[16]，原因可能是短期施肥促進植物快速生長，提高了碳同化速率，同時也加大了植物對養分的需求[29-30]，所以通過養分再吸收將更多的養分回收然后流向植物的光合器官[31]。這一現象反映了本研究中的林地土壤氮磷養分的供應能力尚不能滿足水曲柳生長提高后對養分的需求，因此葉片需要通過回收更多的養分滿足自身生長，也表明水曲柳的養分再吸收與環境養分供應密切相關[17，28]。本研究中水曲柳N、P再吸收速率分別為20.64%～37.65%和17.52%～63.48%，其中P再吸收效率變化幅度明顯高于N再吸收速率，而且高N和高P添加下P再吸收率明顯高于N再吸收率(表3)，通過Pearson相關性分析發現，水曲柳葉片N再吸收率與葉片養分含量和養分計量比之間的相關性均未達到顯著水平，而葉片P再吸收率與成熟葉P含量和衰老葉C∶P、N∶P呈顯著正相關，與成熟葉C∶P和衰老葉P含量呈顯著負相關(表4)，表明水曲柳P素再吸收能力高于N素，但是水曲柳對P素的再吸收受環境影響較大，尤其是與葉片P素特征密切相關[31]。另外本研究中水曲柳衰老葉的N含量范圍在1.65%～2.13%之間，P含量范圍在0.06%～0.09%之間，與鄧浩俊等[32]的研究相似，根據Killingbeck[26]的研究結果衰老葉中N和P含量分別大于1.00%和0.08%則被不完全吸收的原則，說明水曲柳對P的再吸收率接近完全吸收，因此，通過N、P添加改變水曲柳養分供應情況能夠調節水曲柳對P素的再吸收作用，提高水曲柳的養分利用效率。

　　【參 考 文 獻】

　　[1]GUSEWELL S. N∶P ratios in terrestrial plants： variation and functional significance[J]. New Phytologist， 2004， 164(2)： 243-266.

　　[2]BINKLEY D. Forest nutrition management[M]. New York： John Wiley & Sons， Inc， 1986.

　　[3]閻恩榮， 王希華， 郭明. 浙江天童常綠闊葉林、常綠針葉林與落葉闊葉林的C∶N∶P化學計量特征[J]. 植物生態學報， 2010， 34(1)： 48-57.

　　YAN E R， WANG X H， GUO M. C∶N∶P stoichiometry across evergreen broad-leaved forests， evergreen coniferous forests and deciduous broad-leaved forests in the Tiantong region， Zhejiang Province， eastern China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology， 2010， 34(1)： 48-57.